精度高鉑電阻溫度測量新方法

摘要:溫度是工業(yè)生產重要測量參數,測量結果精度在很大程度上影響了產品生產質量,現(xiàn)在工業(yè)生產中對溫度測量精度要求更為嚴格,。想要提高鉑電阻溫度測量精度,就需要結合其所具有的特點,做好實施過程的分析,降低各項因素的影響,對鉑電阻溫度測量斷方法進行了簡要分析,。
引言
　　鉑電阻元件現(xiàn)在已經被廣泛應用到工業(yè)測控系統(tǒng)中,與其他溫度測量方法相比,具有更高的應用效果。對于鉑電阻溫度測量來說,，常規(guī)是利用測量電阻橋不平衡電壓來實現(xiàn),，對模數轉換器精度要求比較高,同時所需測量成本也較大。為提高工業(yè)溫度測量綜合效率,，在原有基礎上進行精度高鉑電阻溫度測量新方法分析,對原有測量方法進行優(yōu)化,解決存在的各類問題,，達到降低測量成本的目的。
1鉑電阻測量溫度原理分析
　　鉑電阻傳感器應用到工業(yè)生產測量溫度領域,主要就是利用金屬鉑電阻值受溫度影響較大特點,將其制造成溫度傳感器,完成溫度變化狀態(tài)的測量,。選擇鉑電阻為測溫元件,，可以得到鉑電阻傳感器電阻值。一般工業(yè)測溫系統(tǒng)中所用鉑電阻為PT1000(R0=1000Ω),對其溫度特性進行分析,可得知當-200℃<t<0℃時,R(t)=R0[L1+At+Bt²+C(t-100)tm³];當0℃<t<850℃時,R(t)=Rd(1+At+B,。其中,R(x)表示6℃時電阻值,R0表示0℃時電阻值,AB,、C均標志時間常數。在應用鉑電阻實際測溫時,，需要對鉑電阻傳感器自身精度進行分析,，因為一般情況下，任意2個傳感器實際電阻-溫度特性并不完全相同,因此為提高測量結果精度,需要選擇用溫度校準方法對單個鉑電阻傳感器進行多點溫度測量,掌握其唯一溫度特性,避免傳感器性能特點對測量結果的影響,。
2精度高鉑電阻測量溫度實施策略
2.1實施要點
第一,，溫度是影響鉑電阻阻值以及放大器精度的主要因素,一旦外界溫度發(fā)生變化,勢必會對系統(tǒng)測量結果精度產生影響。因此在開展精度高鉑電阻溫度測量方法時,，必須要做好有效溫度補償方法的分析,。第二，溫度測量精度預告,，高分辨率A/D轉換器價格越大,，因此也就使得測量成本增加，也是需要重點解決的問題之一,。針對此類問題,，可以通過RC振蕩器,來將鉑電阻變化量轉換為頻率信號,，可以有效解決溫度變化以及不平衡電阻橋產生的非線性問題。同時,對頻率變化量進行測量,計算出鉑電阻阻止變化量,得到被測溫度結果值,。這樣可以將中間AD環(huán)節(jié)省略掉,，不但可以提高測量精度,同時還可以有效控制測量成本。
2.2傳感器信號調理
　　利用傳感器測量的方法中,，需要重點分析輸出模擬信號的數字化轉變,，例如將鉑電阻放入RC震蕩電路中,將鉑電阻組織變化調制成時變頻率信號，如圖1所示,。振蕩電路由傳感器以及觸發(fā)器組成,并可以將傳感器看作為電阻,，這樣便可以通過觸犯器設置適當閥值，最終將傳感器阻值變化信號轉換為頻率信號,。然后將轉換后信號輸人到計數器內,在預定循環(huán)周期內通過高速計數器解調頻率信號,，確保數字化為與震蕩頻率成比例的值，最后便可以通過成比例值計算得出溫度值,。
 
2.3推算測量結果
　　經過傳感器信號調理后,需要完成溫度解算,。即利用測量得到的計數值,來計算信號變化頻率值,其中頻率與RC震蕩電路時間一般呈現(xiàn)反比關系,即:F0=1/kRC。其中,F0表示所測信號變化頻率值,R表示鉑電阻阻值;C表示振蕩器電容值,k表示時間比例系數回,。如果公式中F0.C以及k為已知條件,便可以計算得出鉑電阻當前阻值,，進而可以通過阻值計算得出溫度數值。
3精度高鉑電阻溫度測量系統(tǒng)設計分析
3.1設計方案
3.1.1設計原則
　　為提高溫度值測量精度,，系統(tǒng)上設計傳感器采用四線制鉑電阻溫度傳感器,，對導線引線電阻進行消除。選知小恒流源為鉑電阻供電,，并控制供電時間,，降低自熱效應對測量結果的影響。同時,，對于A/D采集,、參考電阻與運放等元器件,應選擇用精度高、低溫漂類型,降低器件產生的測量誤差,。另外,，為降低計算復雜度，應盡量選擇用先進測量算法設計硬件的電路,提高噪聲抵消效果,。
3.1.2設計算法
　　在對溫控系統(tǒng)前端進行設計時,，可以采取圖2†方式,其中虛線部位表示鉑電阻,Rt1、Rt2,、Rt3,、Rt4表示鉑電阻線阻,Rt表示待測鉑電阻,R1、R2,、R3表示標準參考電阻,Rt,表示偏置電阻印,。另外,1表示恒遠流,K1-K10表示模擬開關,。
 
　　此系統(tǒng)運行主要通過控制模擬開關通斷來實現(xiàn),可以實現(xiàn)進入運放與A/D轉換元件不同電壓信號的切換,完成電壓信號的測量,并確定電阻Rt數值。假設運放放大倍數為p,A/D芯片采集時參考電壓為V,滿量程讀數為VAADrangu,則算法為:
　　在進行溫度測量時,，不同電流開關切換時間以及A/D轉換時間較短,因此可以保證上述4次測量方法的實施溫度不發(fā)生變化,，同時也可以忽略鉑電阻自熱影響。因此,運放放大倍數p與A/D芯片采集時便可以人為參考電壓V相等,。則可以得到:.
Rt=(a-b-c/c-d)(R1-R2)
　　由此可見,Rt阻值的大小受A/D測量值,，以及R1、R2阻止決定,，與恒流源,、A/D參考電壓以及運放放大倍數等參數無關,。因此想要提高溫度測量結果的精度,，便可以通過應用高分頻率A/D芯片,以及精度高、低溫漂電阻來實現(xiàn),。
3.2系統(tǒng)設計
3.2.1條件確定
1)器件選擇,。選擇用精度高與高穩(wěn)定性Pt1000薄膜鉑電阻傳感器,其0℃環(huán)境下誤差為±0.06Ω。恒流源運放,、模擬開關以及A/D轉換器選擇用集成芯片ADS1248,可以有效簡化電路設計,減小了傳統(tǒng)采集電路中器件間導線連接與外圍干擾,，提高測量值的精度'。
2)參考電阻選擇,。設計系統(tǒng)測溫環(huán)境溫度范圍在-30~+80℃,，對應鉑電阻阻值范圍882.21~1308.96Ω。其中,基于線路電阻因素分析,Rt+Rt4組織范圍應控制在880~1320Ω間,并且為保證經過放大后信號可以與A/D輸入范圍相同,，來保證檢測分辨率精度,，對于R3阻值應確定為883~1320Ω范圍內。
3.2.2硬件系統(tǒng)
　　ADS1248芯片外圍電路設計中,，鉑電阻需要與四線制相連接,并設置足夠多恒流源輸出端口,且保證其可以軟件配置輸出到任何端口,。片內緩沖器輸入阻抗可以達到5000MΩ,基本上可以將測試線_上電流看作為0,進而能夠有效避免信號線附加電阻對測量結果精度的影響。另外,，在選擇單片機時,應以實際需求為基礎,確?？梢酝瓿葾DS1248芯片寄存器讀寫、狀態(tài)控制,、測量數據讀取等行為,最終將測量結果顯示出來,。
3.2.3軟件系統(tǒng)
　　軟件系統(tǒng)設計主要包括單片機程序與上位機監(jiān)測程序兩部分，任何一部分的設計均需要確保其能夠滿足系統(tǒng)運行實際需求,。第一,單片機程序,。可以選擇用Keil開發(fā)環(huán)境以及C52編程語言設計,分為端口初始化,、A/D轉換與算法,、寄存器控制以及SPI數據讀取等模塊間,。在實際測溫作業(yè)中,利用控制開關來完成恒流源與相應電阻通路接通時，需要最大程度上來縮短整個操作時間,，達到消除自熱效應影響的目的,。并且,要保證控制器每秒完成一次溫度數據采集作業(yè),并將采集數據通過串口輸送給上位機。第二,，上位機程序,。可以基于LabWindowsCVI9.0開發(fā)軟件界面,來實現(xiàn)實施溫度數據的顯示,。
4結語
　　鉑電阻作為工業(yè)生產中理想的測溫元件,，在實際應用中可以充分發(fā)揮其所具有的精度高、高靈敏度特點,，但是測量結果更大程度上會受模數轉換器精度影響,需要選擇應用性能良好的模數轉換器,進而會使得成本較高,。因此,需要在現(xiàn)有基礎上,對精度高鉑電阻溫度測量方法進行研究，結合其測溫作業(yè)要求,確定優(yōu)化要點,設計性能優(yōu)良的硬件與軟件系統(tǒng),開發(fā)出一種新的精度高低成本鉑電阻測溫方法,確保測溫結果精度滿足工業(yè)生產要求,。